Utan att veta det, de flesta amerikaner förlitar sig varje dag på en klass av kemikalier som kallas per- och polyfluoralkylsubstanser, eller PFAS. Dessa konstgjorda material har unika egenskaper som gör dem extremt användbara. De stöter bort både vatten och fett, så de finns i livsmedelsförpackningar, vattentätt tyg, mattor och väggfärg.

PFAS är också praktiskt när saker blir uppvärmda. Konsumenter värdesätter denna egenskap i stekpannor med nonstick. Statliga myndigheter och industri har använt dem i årtionden för att släcka bränder på flygplatser och bränslelager.

Dock, utbredd användning av PFAS har lett till omfattande förorening av allmänna vattensystem. I dag, dessa ämnen kan hittas i blodserumet hos nästan alla invånare i USA. Exponering för PFAS har kopplats till njur- och testikelcancer, såväl som utvecklingsmässigt, immun, hormonella och andra hälsoproblem.

Men att ta bort dem från miljön är inte lätt. Kemiska bindningar mellan fluor och kol – ryggraden i PFAS-molekyler – är extremt starka. PFAS kan avlägsnas från vattnet genom att filtrera bort dem, men de använda filtren måste kasseras efteråt, och deponering överför bara problemet till en annan plats. Den bästa lösningen på problemet är att bryta ner PFAS fullständigt – och på den punkten, vi gör framsteg.

Elektrokemisk rening av vatten

Studier har visat att en metod som kallas elektrokemisk oxidation är ett effektivt sätt att avlägsna PFAS från avloppsvatten. Det fungerar genom att leda en elektrisk likström mellan elektroderna, som är ledande metallplattor. När spänningen är tillräckligt hög, PFAS-molekyler ger upp en elektron till den positiva elektroden. Detta startar en kedjereaktion som förvandlar PFAS till koldioxid och fluorid.

Denna process är relativt enkel i ett laboratorium, men att genomföra det på fältskala är en helt annan utmaning. Vanligtvis, Målet skulle vara att ta bort PFAS som har spillts och blötts in i jorden, förorenande grundvattenförsörjning.

Vi kan pumpa det förorenade grundvattnet upp till ytan och genom en reaktor, men de flesta föroreningar som innehåller kol – inklusive några av de många typerna av PFAS-molekyler – fastnar i jorden och frigörs bara långsamt. Det kan ta år eller till och med årtionden av pumpning för att behandla en stor förorenad zon. Metoder som behandlar föroreningar under jord istället för att pumpa dem till ytan är ofta billigare.

I tidigare forskning på en före detta ammunitionslagringsplats i Pueblo, Colorado, vi visade att det var möjligt att behandla grundvatten förorenat med sprängämnen genom att passera det genom en elektrolytisk barriär. Att göra detta, vi sänkte nätelektroder som såg ut som fönsterskärmar i ett dike. Förorenat grundvatten rörde sig naturligt genom dessa nätelektroder, där en elektrisk ström bröt ner de föroreningar som den innehöll.

Denna process kräver ungefär 5 till 15 volt elektricitet - ungefär den mängd som tillförs av ett bilbatteri. I avlägsna områden kan denna kraft komma från solpaneler. Med rätt ledning, elektrolytiska barriärer kan bryta ner föroreningar i flera år.

Uppskalning av behandling för PFAS

Vår nuvarande forskning syftar till att tillämpa elektrolytisk barriärteknologi för behandling av PFAS-förorenat vatten. Men PFAS är svårare att bryta ned än föroreningarna på Pueblo-platsen.

Det första steget är att identifiera mer kraftfulla elektroder. Elektroder kan beläggas med en mängd olika material, inklusive titan, tenn och många andra metalloxider. Egenskaperna hos elektrodytbeläggningarna avgör hur snabbt de bryter ned föroreningar.

Hittills har vi använt expanderat titannät belagt med en blandning av iridium- och tantaloxider. Dessa elektroder används ofta för att skydda rostfria rör från rost, så de är prisvärda, säljs för cirka 40 USD per kvadratfot. Kostnaden är en viktig faktor att ta hänsyn till eftersom elektroderna kan utgöra en betydande del av hela installationskostnaden.

Iridium- och tantaloxidbeläggningar, dock, är mycket långsamma på att nedbryta PFAS. Våra preliminära undersökningar har visat att tennoxidbelagda nätelektroder är mycket effektivare. För närvarande, tennoxidelektroder är skräddarsydda forskningsmaterial, och därmed mycket dyrare än iridium- och tantaloxider. Men eftersom kostnaden för tenn är betydligt lägre än för de andra två, vi förväntar oss att priserna kommer att sjunka när dessa elektroder produceras i större antal.

Dessutom, Dr. Shaily Mahendra vid University of California, Los Angeles och hennes medarbetare har upptäckt en vedruttnande svamp som har visat sig lovande att omvandla vissa PFAS-arter. Dessa svampar behöver syre för att andas, men det finns vanligtvis väldigt lite syre i grundvattnet. Lyckligtvis, elektroderna som vi använder för att bryta ned föroreningar bryter också ner grundvattnet runt dem, och denna process genererar syre.

Vi planerar därför att koppla elektrokemisk oxidation med biologisk nedbrytning, använda den levande svampen för att hjälpa till att bryta ner PFAS. Vårt preliminära arbete med en annan långlivad organisk förorening som kallas 1, 4-dioxan har visat att nedbrytningen går snabbare när dessa två processer samverkar. På samma gång, spänningen som skickas genom elektroderna kan sänkas. Lägre spänningar betyder lägre energikostnad, längre livslängd för elektroderna och mindre bildning av desinfektionsbiprodukter. Dessa är oönskade och potentiellt skadliga föreningar som kan bildas från ämnen som finns naturligt i vatten, såsom klorid.

Finns det alternativ?

Även med uppkomsten av elektrokemisk vattenbehandling, PFAS-nedbrytning är fortfarande utmanande. Eftersom PFAS är extremt stabila och används så brett, de är nu distribuerade över hela världen.

Forskare utvecklar sätt att ersätta PFAS i vissa produkter, såsom brandsläckningsskum. I många andra konsumentprodukter, tillverkare ersätter helt enkelt större PFAS-molekyler med mindre. Dock, detta är inte en fullständig lösning. Mindre PFAS tros ackumuleras mindre i biologisk vävnad, men de sprids också lättare i miljön.

Exponering för kemikalier är ett pris vi betalar för det moderna livets bekvämligheter. I sista hand, Omfattningen av PFAS-förekomst i miljön kommer till stor del att bero på konsumenternas val och på hur snabbt vi kan ersätta dessa kemikalier med säkrare alternativ. Tills vidare, dock, vi behöver effektivare sätt att ta bort dem från jorden, grundvatten och andra platser där de hotar människors hälsa och miljön.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.